《机械零件设计概论》PPT课件

第9章 机械零件设计概论91 机械零件设计概论92 机械零件的强度93 机械零件的接触强度94 机械零件的耐磨性95 机械制造常用材料及其选择96 公差与配合、表面粗糙度和优先数系97 机械零件的工艺性及标准化 9 1 机 械 零 件 设 计 概 论机 械 设 计 应 满 足 的 要 求 ：在 满 足 预 期 功 能 的 前 提 下 ， 性 能 好 、 效 率 高 、 成 本低 ， 在 预 定 使 用 期 限 内 安 全 可 靠 ， 操 作 方 便 、 维 修简 单 和 造 型 美 观 等 。机 械 零 件 的 失 效 ： 机 械 零 件 曲 于 某 种 原 因 不 能 正 常 工 作 时 ， 称 为 失 效 。工 作 能 力 -在 不 发 生 失 效 的 条 件 下 ， 零 件 所 能 安 全工 作 的 限 度 。 通 常 此 限 度 是 对 载 荷 而 言 ， 所 以 习 惯 上又 称 为 ： 承 载 能 力 。零 件 的 失 效 形 式 : 断 裂 或 塑 性 变 形 ;过 大 的 弹 性 变 形 ;工 作 表 面 的 过 度 磨 损 或 损 伤 ;发 生 强 烈 的 振 动 ； 联 接 的 松 弛 ;摩 擦 传 动 的 打 滑 等 。 如 轴 、 齿 轮 、 轴 瓦 、 轴 颈 、 螺 栓 、 带传 动 等 。 机 械 零 件 虽 然 有 多 种 可 能 的失 效 形 式 ， 归 纳 起 来 最 主 要 的 为 对 于 各 种 不 同 的 失 效 形 式 ， 也 各 有 相 应 的 工 作 能 力 判 定 条 件强 度 条 件 ： 计 算 应 力 许 用 应 力 ；机 械 零 件 设 计 的 步 骤 ： 1)拟 定 零 件 的 计 算 简 图 ; 5) 绘 制 工 作 图 并 标 注 必 要 的 技 术 条 件 。 防 止 失 效 的 判 定 条 件 是 ： 计 算 量 许 用 量 -工 作 能 力 计 算 准 则 。2) 确 定 作 用 在 零 件 上 的 载 荷 ; 3) 选 择 合 适 的 材 料 ; 4) 根 据 零 件 可 能 出 现 的 失 效 形 式 ， 选 用 相 应 的 判 定 条 件 ， 确 定 零 件 的 形 状 ; 注 意 ， 零 件 尺 寸 的 计 算 值 一 般 并 不 是 最 终 采 用的 数 值 ， 设 计 者 还 要 根 据 制 造 零 件 的 工 艺 要 求 和 标 谁 、 规 格 加 以 圆 整 失 效 原 因 : 强 度 、 刚 度 、 耐 磨 性 、 振 动 稳 定 性 、 温 度 等 原 因 。刚 度 条 件 ： 变 形 量 N0以 后 ， 曲 线 趋 于 水 平 ， 可 认 为 在 无 限 次 循环 时 试 件 将 不 会 断 裂 。应 力 与 应 力 循 环 次 数 N 之 间的 关 系 曲 线 称 为 ： 疲 劳 曲 线当 NN0 时 ,试 件 将 不 会 断 裂 。N0 -循 环 基 数N0 对 应 的 应 力 称 为 ： CNN mmN 011 当 N2%-含 碳 量 2% 铁 碳 合 金特 点 ： 良 好 的 液 态 流 动 性 ， 可 铸 造 成 形 状 复 杂 的 零 件 。较 好 的 减 震 性 、 耐 磨 性 、 切 削 性 （ 指 灰 铸 铁 ） 、 成 本 低廉 。应 用 ： 应 用 范 围 广 。 其 中 灰 铸 铁 最 广 、 球 墨 铸 铁 次 之 。 选 用 原 则 ： 优 选 碳 素 钢 ， 其 次 是 硅 、 锰 、 硼 、 钒 类 合 金 钢 。特 点 ： 与 铸 铁 相 比 ， 钢 具 有 高 的 强 度 、 韧 性 和 塑 性 。可 用 热 处 理 方 法 改 善 其 力 学 性 能 和 加 工 性 能 。零 件 毛 坯 获 取 方 法 ： 锻 造 、 冲 压 、 焊 接 、 铸 造 等 。应 用 ： 应 用 范 围 极 其 广 泛 。表 9-2 常 用 材 料 的 相 对 价 格材 料 种 类 规 格 相 对 价 格热 轧 圆 钢 碳 素 结 构 钢 Q235 （ 3342） 1铸 件 优 质 碳 素 钢 （ 2950） 1.51.8 合 金 结 构 钢 （ 2950） 1.72.5 滚 动 轴 承 钢 （ 2950） 3 合 金 工 具 钢 （ 2950） 320 4Cr9Si2耐 热 钢 （ 2950） 5 灰 铸 铁 铸 件 0.85 碳 素 钢 铸 件 1.7 铜 合 金 、 铝 合 金 铸 件 810 价 格 便 宜 且 供 应 充 分 我 国 资 源 丰 富 3.铜 合 金 -铜 锌 合 金 ， 并 含 有 少 量 的 锰 、 铝 、 镍特 点 ： 具 有 良 好 的 塑 性 和 液 态 流 动 性 。 青 铜 合 金 还 具有 良 好 的 减 摩 性 和 抗 腐 蚀 性 。零 件 毛 坯 获 取 方 法 ： 辗 压 、 铸 造 。应 用 ： 应 用 范 围 广 泛 。种 类 青 铜黄 铜轴 承 合 金 （ 巴 氏 合 金 ）-含 锡 青 铜 、 不 含 锡 青 铜二 、 非 金 属 材 料1. 橡 胶 橡 胶 富 于 弹 性 ， 能 吸 收 较 多 的 冲 击 能 量 。常 用 作 联 轴 器 或 减 震 器 的 弹 性 元 件 、 带 传 动 的 胶 带 等 。硬 橡 胶 可 用 于 制 造 用 水 润 滑 的 轴 承 衬 。 2. 塑 料 塑 料 的 比 重 小 ， 易 于 制 成 形 状 复 杂 的 零 件 ，而 且 各 种 不 同 塑 料 具 有 不 同 的 特 点 ， 如 耐 蚀 性 、 绝 热性 、 绝 缘 性 、 减 摩 性 、 摩 擦 系 数 大 等 ， 所 以 近 年 来 在机 械 制 造 中 其 应 用 日 益 广 泛 。 3.其 它 非 金 属 材 料 ： 皮 革 、 木 材 、 纸 板 、 棉 、 丝 等 。选 材 因 素 ： 设 计 机 械 零 件 时 ， 选 择 合 适 的 材 料 是 一 项 复 杂 的 技 术 经 济 问 题 设 计 者 应 根 据 零 件 的 用途 、 工 作 条 件 和 材 料 的 物 理 、 化 学 、 机 械 和 工 艺 性 能 以 及 经 济 因 素 等 进 行 全 面 考 虑 。 用 途 、 工 作 条 件 、 物 理 、 化 学 、 机 械 工 艺 性 能 、 经 济 性 。零 件 材 料各 种 材 料 的 化 学 成 分 和 力 学 性 能 可 在 相 关 国 标 、 行 标和 机 械 设 计 手 册 中 查 得 。为 了 材 料 供 应 和 生 产 管 理 上 的 方 便 ， 应 尽 量 缩 减 材 料的 品 种 。 表 9-1 常 用 钢 铁 材 料 的 牌 号 及 力 学 性 能材 料 力 学 性 能 试 件 尺 寸类 别 牌 号 强 度 极 限 B 屈 服 极 限 S 延 伸 率 % mmQ215 335-410 215 31 碳 素结 构 钢 Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优 质 碳 素结 构 钢 35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合 金结 构 钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d 100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰 铸 铁 HT200 195 - - HT250 240 - - 壁 厚1020QT400-15 400 250 15 球 墨 铸 铁 QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁 厚30200 9 6 公 差 与 配 合 、 表 面 粗 糙 度 和 优 先 系 数一 、 公 差 与 配 合互 换 性 ： 零 件 在 装 配 时 ， 不 需 要 选 择 和 附 加 加 工 的 就 能 满 足 预 期 技 术 与 使 用 要 求 的 特 性 。基 本 尺 寸 ： 由 设 计 图 纸 给 定 的 零 件 理 论 尺 寸 ； 为 确 定 值 。实 际 尺 寸 ： 制 造 加 工 后 测 量 所 得 零 件 尺 寸 ； 由 于 测 量 有 误 差 ， 所 以 实 际 尺 寸 并 非 真 值 。 相 对 于 基 本 尺 寸 而 言 ， 总 是 有 误 差 。 或 大 或 小 实 际 尺 寸25.1 轴实 际 尺 寸实 际 尺 寸基 本 尺 寸实 际 尺 寸24.9 孔 25.1 孔25 孔 基 本 尺 寸轴25轴24.9 最 小 极 限 尺 寸 ： 零 件 满 足 互 换 性 要 求 的 最 小 允 许 尺 寸 ；最 大 极 限 尺 寸 ： 零 件 满 足 互 换 性 要 求 的 最 大 允 许 尺 寸 ；尺 寸 误 差 ： 实 际 尺 寸 与 理 论 设 计 尺 寸 之 差 ；上 偏 差 ： 最 大 极 限 尺 寸 与 基 本 尺 寸 之 差 ； 符 号 ： ES,es下 偏 差 ： 最 小 极 限 尺 寸 与 基 本 尺 寸 之 差 ； 符 号 ： EI,eiesES eiEI尺 寸 公 差 ： 最 大 极 限 尺 寸 与 最 小 极 限 尺 寸 之 差 ； 即 允 许 的 尺 寸 变 动 量 。ES-EI es-ei公 差 = Lmax- Lmax =ES-EI =es-eiLmin 孔 L 孔 Lmax 孔 轴L Lmax 轴Lmin 轴 轴L Lmax 轴Lmin 轴零 线 ： 代 表 基 本 尺 寸 所 在 位 置 的 一 条 直 线 ；公 差 带 ： 由 代 表 上 、 下 偏 差 的 两 条 直 线 所 限 定 的 区 域 ；零 线 ESEI孔 公 差 带 esei轴 公 差 带国 标 规 定 ： 孔 与 轴 各 有 28个 ， 分 别 用 如 下 符 号 表 示 ：孔 ： A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC轴 ： a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc基 本 偏 差 ： 标 准 表 列 的 ， 用 于 确 定 公 差 带 相 对 于 零 线 位置 的 上 偏 差 或 下 偏 差 ， 一 般 为 靠 近 零 线 的 那 个 偏 差 。+0- 零 线L 孔 ： A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC轴 ： a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc基 本 偏 差 系 列呈 正 态 分 布BCCDDEEFA FFGGH KMNPRS TUVXYZZAZBZCJS孔+0- 基本尺寸 b ccdde efa f fgg h kmnp r s t uvx yzzazbzcjs轴+0- 基本尺寸 配 合 ： 基 本 尺 寸 相 同 ， 相 互 结 合 的 孔 与 轴 公 差 带 之 间 的 关 系 ；间 隙 或 过 盈 ： 孔 的 尺 寸 减 去 相 配 合 轴 的 尺 寸 所 得 代 数 差 ；间 隙 ： 代 数 差 为 “ +” ， 孔 轴 ; 过 盈 ： 代 数 差 为 “ -” ， 孔 轴 ， 用 于 可 动 联 接 ， 如 活 动 铰 链 ； 孔 轴 ， 用 于 静 联 接 ， 如 火 车 轮 与 轴 。 可 能 有 间 隙 ， 也 可 能 具 有 过 盈 。 用 于要 求 具 有 良 好 的 同 轴 性 而 又 便 于 拆 装的 静 联 接 ， 如 齿 轮 与 轴 ；最 大 间 隙 : Xmax = 孔 max-轴 min最 小 间 隙 : Xmin = 孔 min-轴 max 最 大 过 盈 : Ymax = 孔 min-轴 max 最 小 过 盈 ： Ymin = 孔 max-轴 min 间 隙配 合 孔 公 差 带轴 公 差 带 孔 公 差 带轴 公 差 带孔 公 差 带轴 公 差 带 孔 公 差 带轴 公 差 带过 盈配 合 过 渡 配 合孔 公 差 带轴 公 差 带 孔 公 差 带轴 公 差 带 孔 公 差 带YmaxXmaxY max Xmax Ymax Xmax YmaxYmax Xmin Xmax Xmin= 0Ymin= 0轴 公 差 带 XmaxYmin H零 线 D孔公差 kjshge f rpm s间 隙 配 合 过 渡 配 合 过 盈 配 合配 合基 准 制基 孔 制 配 合 ： 孔 是 基 准 孔 ， 下 偏 差 EI=0， 代 号 为 :H ， 通 过 改 变 轴 的 公 差 带 来 或 得 各 种 不 同 的 配 合 特 性 。基 孔 制 配 合基 轴 制 配 合 应 用 广 泛 ， 可 减 少 孔 加 工 刀 具 零 线 hD轴公差 KJSHGE F RPM S间 隙 配 合 过 渡 配 合 过 盈 配 合基 轴 制 配 合 ： 轴 是 基 准 轴 ， 上 偏 差 es=0， 代 号 为 :h ， 通 过 改 变 孔 的 公 差 带 来 或 得 各 种 不 同 的 配 合 特 性 。 基 孔 制 常 用 与 优 先 配 合 的 选 用 基 轴 制 常 用 与 优 先 配 合 的 选 用 二 、 表 面 粗 糙 度 轮 廓 峰 谷 线轮 廓 峰 顶 线轮 廓 峰 高yp轮 廓 谷 深yv 中 线 ly x定 义 ： 零 件 表 面 的 微 观 几 何 形 状 误 差 称 为 表 面 粗 糙 度特 征 ： 加 工 后 零 件 表 面 留 下 的 微 细 而 凹 凸 不 平 的 刀 痕 。评 定 参 数 ： 轮 廓 算 术 平 均 偏 差 -取 样 长 度 l内 ， 被 测轮 廓 上 各 点 至 轮 廓 中 线 偏 居 绝 对 值 的 算 术 平 均 值 ：dxylR la 01 ni ia ynR 11近 似 为 ： 0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表 9-3 用 不 同 加 工 方 法 得 到 的 Ra 加 工 方 法 表 面 粗 糙 度 Ra m精 粗刨 削钻 孔铰 孔 精 粗镗 孔 精 粗车 精 粗磨 精 粗研 磨滚 、 铣 精 粗R a愈 小 ， 零 件 的 加 工 成 本 愈 高 。 表 面 粗 糙 度 对 零 件 功 能 有 重 要 的 影 响 。 例 如 ：1. 对 摩 擦 磨 损 的 影 响 摩擦系数 Ra零 件 表 面 愈 粗 糙 ， 摩 擦 系数 愈 大 。 但 光 滑 到 一 定 程度 时 ， 润 滑 油 被 挤 出 ， 产生 亲 和 力 反 而 使 摩 擦 系 数增 大 。2. 对 疲 劳 强 度 的 影 响零 件 表 面 愈 粗 糙 ， 在 刀 痕 根 部 愈 容 易产 生 应 力 集 中 ， 使 疲 劳 强 度 降 低 。3. 对 耐 腐 蚀 的 影 响4. 对 结 合 处 密 封 性 能 的 影 响5. 对 振 动 和 噪 声 的 影 响 等 等零 件 表 面 愈 粗 糙 ， 在 刀 痕 根 部 愈 容 易 产 生 腐 蚀 渗 透 。零 件 表 面 愈 光 滑 ， 密 封 性 能 愈 好 。零 件 表 面 愈 粗 糙 ， 振 动 和 噪 声 愈 大 。 如 滚 动 轴 承 。 三 、 优 先 数 系 优 先 数 系 是 国 际 上 统 一 的 数 值 分 级 制 度 ， 是 一 种 无量 纲 的 分 级 系 数 ， 适 用 于 各 种 量 值 的 分 级 。 在 确 定 产 品的 参 数 或 参 数 系 列 时 ， 应 该 最 大 限 度 采 用 。 产 品 的 主 要 参 数 如 ： 型 号 、 直 径 、 转 速 、 承 载 量 和功 率 等 按 优 先 数 系 形 成 系 列 ， 便 于 组 织 生 产 和 降 低 成 本 ，以 实 现 产 品 的 标 准 化 和 系 列 化 。优 先 数 系 是 一 个 以 公 比 为 ： qr= 10 的 十 进 等 比 级 数 ，rGB321-80规 定 了 四 个 优 先 数 系 的 基 本 系 列 ：R5 : q 5= 10 1.6 5R10 : q10= 10 1.25 10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 40 优 先 数 系 的 基 本 系 列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00R40 R20 优 先 数 -表 中 任 意 一 个 数 值 。 大 于 10的 优 先 数 ， 可 将 表 数 值 分 别 乘 以 10、 100、 1000 。 9 7 机 械 零 件 的 工 艺 性 及 标 准 化一 、 工 艺 性零 件 设计 要 求 使 用 要 求 -具 备 所 要 求 的 工 作 能 力 ；制 造 要 求 -制 造 工 艺 可 行 ， 成 本 低 ；零 件 工 艺 性 良 好 的 标 志 ： 在 具 体 的 生 产 条 件 下 ， 零 件 要 便 于 加 工 且 费 用 低 。工 艺 性 的 基 本 要 求 ：1) 毛 坯 选 择 合 理制 备 方 法 毛 坯 选 择 与 生 产 批 量 、 材 料 性 能 和 加 工 可 能 性 有 关 。单 件 或 小 批 量 生 产 时 ， 选 用棒 料 、 板 材 、 型 材 或 焊 件 。应 用 于 大 批 量 生 产 。用 型 材焊 接锻 造铸 造冲 压 9 7 机 械 零 件 的 工 艺 性 及 标 准 化一 、 工 艺 性零 件 设计 要 求 使 用 要 求 -具 备 所 要 求 的 工 作 能 力 ；制 造 要 求 -制 造 工 艺 可 行 ， 成 本 低 ；零 件 工 艺 性 良 好 的 标 志 ： 在 具 体 的 生 产 条 件 下 ， 零 件 要 便 于 加 工 且 费 用 低 。工 艺 性 的 基 本 要 求 ：1) 毛 坯 选 择 合 理制 备 方 法 ： 选 用 型 材 、 焊 接 、 铸 造 、 锻 造 、 冲 压 等 。毛 坯 选 择 与 生 产 批 量 、 材 料 性 能 和 加 工 可 能 性 有 关 。单 件 或 小 批 量 生 产 时 ， 选 用 棒 料 、 板 材 、 型 材 或 焊 件 。大 批 量 生 产 时 ， 往 往 选 用 铸 造 、 锻 造 、 冲 压 等 方 法 。 2) 结 构 简 单 合 理 最 好 采 用 平 面 、 柱 面 、 螺 旋 面 等 简 单 表 面 极 其 组 合 ； 尽 量 减 少 加 工 面 数 和 加 工 面 积 ；3) 合 理 的 制 造 精 度 和 表 面 粗 糙 度零 件 的 加 工 成 本 随 精 度 和 表 面 粗 糙 度 的 提 高 而 急 剧 增 加 。决 不 能 盲 目 追 求 高 精 度 ， 应 在 满 足 使 用 要 求 的 前 提 下 ，尽 量 采 用 较 低 的 精 度 和 表 面 质 量 。 尽 量 采 用 标 准 件 ； 增 加 相 同 形 状 、 相 同 元 素 （ 直 径 、 圆 角 半 径 、 配 合 、 螺 纹 、 键 、 齿 轮 模 数 等 ） 的 数 量 ；4) 尽 量 减 小 零 件 的 加 工 量 毛 坯 形 状 和 尺 寸 应 尽 量 接 近 零 件 本 身 的 形 状 和 尺 寸 。力 求 使 少 或 无 切 削 加 工 ， 节 约 材 料 、 降 低 成 本 。 尽 量 采 用 精 密 铸 造 、 精 密 锻 造 、 冷 轧 、 冷 挤 压 、 粉 末冶 金 等 先 进 工 艺 满 足 上 述 要 求 。 欲 设 计 出 工 艺 性 良 好 的 零 件 ， 设 计 者 必 须 虚 心 向 工艺 技 术 人 员 和 一 线 工 人 学 习 ， 在 实 践 中 积 累 经 验 。 二 、 标 准 化内 容 ： 1)产 品 品 种 规 格 的 系 列 化将 同 一 类 产 品 的 主 要 参 数 、 型 式 、 尺 寸 、 基 本 结 构 等 依次 分 档 ， 制 成 系 列 化 产 品 ， 以 较 少 的 规 格 品 种 满 足 用 户的 广 泛 要 求 。定 义 ： 标 准 化 是 在 经 济 、 技 术 、 科 学 及 管 理 等 社 会 实 践中 ， 对 重 复 事 务 和 概 念 ， 通 过 制 定 、 发 布 和 实 施 标 准 ，以 获 得 最 佳 秩 序 和 效 益 。2)零 部 件 的 通 用 化将 用 途 、 结 构 相 近 的 零 部 件 （ 如 轴 承 、 螺 栓 等 ） ， 经 过统 一 后 实 现 互 换 ；3)产 品 质 量 标 准 化要 保 证 产 品 产 品 质 量 合 格 和 稳 定 ， 就 必 须 做 好 设 计 、 加工 工 艺 、 装 配 检 验 、 包 装 储 运 等 环 节 的 标 准 化 。 基 本 特 征 ： 统 一 、 简 化 。意 义 ： 1)制 造 上 可 以 实 现 专 业 化 大 批 量 生 产 ， 既 可 提 高 产 品质 量 ， 又 能 降 低 成 本 ；2)设 计 方 面 可 减 少 设 计 工 作 量 ；3)管 理 维 修 方 面 可 减 少 库 存 量 ， 便 于 更 换 损 坏 的 零 件 。标 准 化 是 组 织 社 会 化 大 生 产 的 重 要 手 段 ， 是 实 施 科 学管 理 的 基 础 ， 也 是 对 产 品 设 计 的 基 本 要 求 之 一 。 通 过标 准 化 的 实 施 ， 以 获 得 最 佳 的 社 会 经 济 成 效 。标 准 层 次 ： 国 家 标 准 、 行 业 标 准 、 地 方 标 准 、 企 业 标 准 。推 荐 性 标 准 （ GB/T） -鼓 励 企 业 自 愿 采 用 。标 准性 质 强 制 标 准 （ GB） -必 须 强 制 执 行 ； 作 为 设 计 人 员 ， 要 求 必 须 熟 悉 现 行 的 相 关 标 准 ， 学 会 查 询 和 使 用 标 准 资 料 。 无 论 设 计 何 种 产 品 ， 必 须 遵 循 相 关 标 准 。